蛋白質(zhì)為何“搔首弄姿”

王澤斌

在日常生活中，我們有時會聽到“蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)”、“蛋白質(zhì)變性”等詞匯。“蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)”是指蛋白質(zhì)呈現(xiàn)出的空間造型，而“變性”實際上是指它們原有的形態(tài)發(fā)生改變。那么，蛋白質(zhì)如何擺出造型?它們?yōu)槭裁匆吧κ着恕?這些對我們?nèi)祟愑钟惺裁礃拥囊饬x呢?搭出蛋白的“積木”——氨基酸

說到蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)，就不能不提氨基酸。形象地講，通常，一個碳原子有“四只手”，每只手可以抓一樣東西。氨基酸內(nèi)的核心碳原子一只手抓了一個羧基；一只手抓了一個氨基；還有一只手比較“低調(diào)”，只抓了一個氫原子；所有的氨基酸都有三只手所抓的東西是相同的，而剩下的一只手，不同的氨基酸所抓的基團各不相同，它通常被稱為“側(cè)鏈基團”。氨基酸的性質(zhì)就取決于這個各不相同的基團。

當兩個氨基酸相遇時，彼此的氨基和羧基結(jié)合形成肽鍵，原來的兩個氨基酸就變成了一個大的分子，稱為“二肽”。二肽剩余的一個羧基和一個氨基可以分別繼續(xù)結(jié)合其他氨基酸的氨基和羧基，從而形成長串的大分子，最小的蛋白質(zhì)由幾十個氨基酸構(gòu)成，而大的蛋白質(zhì)中氨基酸數(shù)日可能成百上千。

造型的產(chǎn)生

經(jīng)過連接的氨基酸彼此之間會形成各種各樣的“鄰里關(guān)系”，于是構(gòu)成了諸如“阿爾法螺旋”、“倍塔折疊”、“轉(zhuǎn)折”、“無規(guī)卷曲”等空間形態(tài)。氨基酸之間的連接雖然很緊密，但還是可以在一定范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動的。氨基酸合成肽之后，其本身剩余的部分稱為“殘基”。殘基都有一定的活動范圍，相距較遠的殘基還可以通過一定的作用力互相接近。疏水作用是最常見的一種，疏水的殘基不喜歡外界的水而互相靠近，而親水的殘基則使勁往外擠，去尋找更多的水；另一種重要的相互作用是靜電力，有的側(cè)鏈基團是帶電的，同性相斥、異性相吸的作用也造成序列上相距較遠的氨基酸殘基發(fā)生排斥或吸引。如果系統(tǒng)中存在二硫鍵時，它們之間的作用會比疏水或靜電作用更加強烈。由于受到“鄰居”的牽連和空間距離的限制，這些作用力最后會達到一個使體系平衡而又相對松散的狀態(tài)。通過諸如上面提到的各種力的作用，蛋白質(zhì)有了一級、二級、三級甚至四級結(jié)構(gòu)。像積木一樣，它的一級結(jié)構(gòu)確定了它們按照怎樣的順序連接起來，二級結(jié)構(gòu)決定了氨基酸鄰里之間的關(guān)系如何，三級結(jié)構(gòu)則是為了讓氨基酸們處于一種合適的狀態(tài)而擺出的造型，而四級結(jié)構(gòu)是類似兩個以上造型的組合。

造型的意義——結(jié)構(gòu)決定功能

自然界有數(shù)不清的蛋白質(zhì)。截止到2006年，蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(PDB)里已經(jīng)有了4萬個已知造型的蛋白質(zhì)，而這一數(shù)字還在迅速增加。此外，還有無數(shù)個人類知道其存在，卻不知道其造型如何的蛋白。至于人類還不知道的蛋白，就更加無法估量了。

每個蛋白質(zhì)的造型各不相同，就好象這世界上沒有兩片完全一樣的葉子。蛋白質(zhì)擺出各種造型當然不是因為“愛美”，它作為最重要的生命物質(zhì)，作用是維持生物體各種各樣的生命活動，而這些生命活動能否順利，最關(guān)鍵的一步就是蛋白質(zhì)能否靠近“行動目標”。比如：有解毒作用的蛋白，必須要擺出一個“陷阱造型”，把毒素裝進去；要清除自由基的蛋白，也要有一個能把自由基抓住的造型；作為催化某個生化反應(yīng)的酶的蛋白質(zhì)，通常的造型就是一把“鎖”，而被催化的反應(yīng)物就好比“鑰匙”，一把鑰匙開一把鎖，只有那種特定的反應(yīng)物才能夠進入這個“鎖”中發(fā)生反應(yīng)。

人類為什么關(guān)心蛋白質(zhì)的造型

人們花費巨大經(jīng)費來進行蛋白質(zhì)造型的研究，不僅僅是為了滿足好奇心，也為了謀求更多實際的利益。

比如說，如果一種蛋白質(zhì)能夠治療某種疾病，我們通常的做法是將其提純，并注射到生物體內(nèi)。但是從自然界的物質(zhì)中提純某種蛋白質(zhì)并非易事，提純過程中，為保持蛋白質(zhì)的形態(tài)還要十分小心地進行操作。如果純度不夠高，或者殘留了一點致命的雜質(zhì)，注射進血液里不僅可能治不好病，還可能產(chǎn)生危險。所以現(xiàn)代醫(yī)藥生產(chǎn)更傾向于把控制蛋白質(zhì)合成的基因提取出來，放進細菌里精心培養(yǎng)來生產(chǎn)該蛋白質(zhì)。如果在不影響蛋白質(zhì)造型的前提下，在該蛋白質(zhì)上加個標簽，就可以用那枚標簽來“點名”，非常輕松地將這個蛋白質(zhì)和其他蛋白質(zhì)區(qū)分開來，從而大大降低了生產(chǎn)成本。比如，研究人員經(jīng)常給某個蛋白質(zhì)加上6個連續(xù)的組氨酸，再在細菌中合成這種蛋白質(zhì)后將其打成漿，并讓“細菌汁”通過一層阻攔組氨酸的特殊材料，之后進行洗脫，這樣提純的操作就要簡單多了。現(xiàn)在，許多醫(yī)藥、食品以及其它工業(yè)用的酶就是這樣生產(chǎn)出來的。

但是，有的蛋白質(zhì)需要借助生物體中其他的物質(zhì)幫助才能擺出正確的造型，這樣的蛋白質(zhì)在細菌中合成出來后，只有正確的氨基酸序列，沒有正確的造型，不能勝任它們的工作。要想有正確的造型，就只能將其放到動物細胞中培育，這樣，研究的成本也變高了。

研究蛋白質(zhì)造型更重要的意義在于，我們可以按照實際需要去改造和設(shè)計蛋白質(zhì)。因為蛋白質(zhì)通常只有造型中的某一部分對人體有效。知道了那部分的情況，就可以把其余“湊熱鬧”的部分去掉，只對該部分進行生產(chǎn)。蛋白質(zhì)所占空間越小，在醫(yī)藥上的使用就越方便。再比如，有一種酶只能在某個溫度下工作，其他溫度下就失去了效力。如果我們弄懂它起作用的那個造型和導致造型改變的氨基酸，就可以給它做各種“手術(shù)”，在保證造型不變的前提下把“不穩(wěn)定因素”替換掉，那么這個酶就可以在其他的溫度中保持戰(zhàn)斗力了。

蛋白造型也有不重要的時候

蛋白質(zhì)變性是指在某種條件下，蛋白質(zhì)擺不出正確的造型了。所以，經(jīng)常有人說“某種情況導致蛋白質(zhì)變性，影響營養(yǎng)價值”，一些廣告也說“某某食品運用高科技手段，保留了蛋白活性”等等。

絕大多數(shù)的蛋白，在高溫下都會失去本來的造型，也就是“變性”。但是人們吃蛋白，是為了獲取氨基酸，蛋白進入人體后，絕大多數(shù)被分解成了單個的氨基酸，只有極少數(shù)能保留幾個氨基酸構(gòu)成的“多肽”。其實人體只需要這些“積木塊”進入體內(nèi)后重新連接，重擺造型。所以，有沒有它本來的造型，在營養(yǎng)學上意義不大。

我們吃的絕大多數(shù)蛋白食物，本來就需要它失去原有的造型變成美食。比如豆?jié){中的蛋白，被加熱失去本來造型，又被加入石膏促使它們“手拉手肩并肩”，最后變成了豆腐；再比如奶粉，本來就經(jīng)過了高溫干燥，其中的蛋白早已“變性”。